Własności mechaniczne stali 13CrMo4-5

Transkrypt

1 Włsności mechniczne stli 13CrMo4-5 Krzysztof Rokosz, Słwomir Rzdkiewicz, Tdeusz Hryniewicz Streszczenie W prcy zprezentowno wyniki dń stli 13CrMo4-5 ze względu n włsności mechniczne. Bdny mterił jest njczęściej używny do produkcji wysokociśnieniowych rurociągów prowych w elektrociepłownich. Do dń użyto rury ze stli 13CrMo4-5 o średnicy 159 mm i gruości 14,2 mm. Wykonno próy rozciągni, zginni, dni twrdości, mikrostruktury orz skłdu chemicznego. Nprężenie grniczne w próie rozciągni wyniosło średnio 452 MP. Próki zostły poddne zginniu o kącie gięci 180. Zmierzon twrdość dl wyżej wymienionej stli wyniosł 147±7,67 HV10. Bdni mikrostruktury wykzły ferrytyczno-inityczną strukturę mteriłu. Artykuł orzuje dni, które możn wykorzystć do kontroli jkości nowo wykonnych wyroów, celem elimincji produktów niespełnijących wymgń określonych normą przedmiotową lu wymgń wykonni odioru WUDT. Słow kluczowe: stl 13CrMo4-5, dni wytrzymłościowe, pró rozciągni, pró zginni, metlogrfi, odporność korozyjn, rdiogrfi. Wstęp Współczesny rozwój przemysłu wpłynął zncząco n zwiększenie prmetrów prcy i mocy urządzeń energetycznych, to z kolei spowodowło wzrost wymgń w stosunku do nowych gtunków mteriłów, z których są wykonne mszyny energetyczne [1, 2]. Jednym z tkich mteriłów wykorzystywnych do wytwrzni elementów nrżonych n wysokie tempertury jest stl 13CrMo4-5 [3] chrkteryzując się podwyższoną odpornością n wysokie tempertury orz korozję. Mterił ten doskonle sprwdz się w środowisku o odczynie kwsowym, często spotyknym w urządzenich i instlcjch udowlnych dl przemysłu rfineryjnego, petrochemicznego orz gzownictw [4]. Mteriły stosowne w tk szczególnych wrunkch muszą spełnić określone w testch i normch wymgni zrówno pod względem mechnicznym: wytrzymłość n rozciągnie [6], zginnie [7], twrdość [8, 9, 10] le również mieć odpowiednie włściwości metlogrficzne [10, 11], rdiogrficzne [12, 13] i chemiczne [14]. 1. Metodyk 1.1. Stl użyt do dń Do dń użyto stli 13CrMo4-5 o skłdzie pokznym w Tlicy 1. Próki przygotowno z mteriłu pornego z: rury ,2 mm wykonnej z mteriłu 13CrMo4-5 (rys. 1) orz króćc ,2 mm, 13CrMo4-5 (rys. 1). Próę rozciągni wykonno n prókch przygotownych dl rury zgodnie z normą PN-EN ISO , dl króćc zgodnie z normą PN-EN ISO Pomiry twrdości przeprowdzono n prókch przygotownych według normy PN-EN ISO :2008. Próki do dń mikrostruktury oszlifowno z pomocą tlenku glinu orz wytrwiono nitlem (Mi1Fe według normy PN61/H-04503) Stnowisk pomirowe Bdni wytrzymłościowe wykonno przy użyciu mszyny ZD40 o npędzie hydrulicznym orz sterowniu elektrycznym. Zkres pomirowy mszyny wynosi od 0 do 400 kn. Dokłdność pomirow wynosi ±1%. Stnowisko to wykorzystno zrówno do próy rozciągni jk i zginni (rys. 2). Pomir twrdości przeprowdzono metodą Vickers przy użyciu twrdościomierz HPO-250 (rys. 2). Tlic 1. Skłd chemiczny stli 13CrMo4-5 Tle 1. The composition of steel 13CrMo4-5 C Si Mn P S 0,16 0,213 0,475 0,0082 0,0025 Cu Co Ti N V 0,019 0,0057 0,0005 0,004 0,001 S Sn Zn As Bi 0,0026 0,0046 0,0031 0,01 0,0015 L Se N Al B 0,0005 0,002 0,006 0,012 0,0008 Cr 0,8 W 0,007 T 0,01 Zr 0,00015 Ni Mo 0,03 0,471 P Mg 0,002 0,0012 C Ce 0,0017 0,0021 Fe 97,8 Rys. 1 Próki porne z: rury ,2 mm wykonnej z mteriłu 13CrMo4-5 (), króćc ,2 mm 13CrMo4-5 () [5] Fig. 1. Smples cquired from: pipe mm mde of 13CrMo4-5 steel (), the connector mm 13CrMo4-5 steel () [5] AUTOBUSY 6/

2 Urządzenie wykonuje pomiry twrdości wyżej wymienioną metodą dl: dziesięciu stopni ociążeni (49,03 N; 98,07 N; 147,1 N; 196,1 N; 294,2 N; 392,3 N; 490,3 N; 588,4 N; 980,7 N; 1176,8 N), trzech powiększeń oiektywów urządzeni projekcyjnego (35, 70, 140 ), zkresu pomiru odcisku od 0 do 1,6 mm orz dokłdności pomiru: ±1 µm (śru mikrometryczn). W przypdku dń metlogrficznych zgłdów użyto odwróconego mikroskopu metlogrficznego n świtło odite NEOPHOT 32 (rys. 1c). Zkres powiększeń urządzeni wynosi od 10 do 2000 rzy, co w połączeniu z metodmi oserwcji w świetle jsnym, ciemnym orz spolryzownym dje możliwości określeni wyglądu orz stnu zirn, stwierdzeni znieczyszczeń orz określeni prwidłowości wiązń między zirnmi. Do dń rdiogrficznych użyto urządzeni izotopowego SENTINEL 880 Elite (rys. 2d), wykorzystującym jko źródło promieniowni selen 75 (Se75). Urządzenie służy do przemysłowej rdiogrfii gmm mteriłów i struktur o zkresie gęstości od 2.71 g/cm 3 do 8.53 g/cm 3. Skłd chemiczny stli zdno spektrometrem CDS CCD (rys. 2e) określjącym utomtycznie ilości pierwistków w próce przy wykorzystniu widm msowego. c Fm od 7900 dn do 8100 dn. Wrtości grniczne sił rozciągjących dl grnicy plstyczności Fe mteriłu wyniosły odpowiednio od 6150 dn do 6400 dn przy wrtościch grnicznych nprężeni Re od 359 MP do 378 MP. Fe= dn Fm= dn Re= MP Rm= MP d e Fe= dn Fm= dn Re= MP Rm= MP Rys. 2. Stnowisk dwcze: mszyn wytrzymłościow ZD- 40 (), twrdościomierz Vickers (), mikroskop metlogrficzny Neophot 32 (c), przyrząd do dń rdiogrficznych Sentinel 880 Elite (d), Spektrometr CDS CCD do dni skłdu chemicznego stli (e) [5] Fig. 2. Posts of reserch: testing mchine ZD-40 (), Vickers hrdness tester () metllogrphic microscope Neophot 32 (c), device for rdiogrphic exmintion Sentinel Elite 880 (d), CDS CCD spectrometer to study the chemicl composition of the steel (e) [5] 2. Wyniki Podczs dń wytrzymłości n rozciągnie próek stli 13CrMo4-5 pornych z rury ϕ ,2 mm (Rys. 3) ustlono wrtości grniczne sił rozciągjących Fe dl grnicy plstyczności n poziomie od 6600 dn do 6800 dn orz nprężenie grniczne Re odpowiednio od 310 MP do 311 MP. Njwiększ sił rozciągjąc wytrzymłości n rozciągnie Fm wynosił odpowiednio od 9600 dn do 9900 dn i uzyskł wrtości grniczne nprężeni Rm n poziomie 451 MP do 453 MP. Wytrzymłość n rozciągnie próek pornych z króćc ,2 mm (Rys. 3) dl wrtości grnicznej nprężeni Rm od 466 MP orz 473 MP przy przyłożonej njwiększej sile rozciągjącej Rys. 3. Wykresy i wyniki sttycznego rozciągni próki: pornej z rury (), pornej z króćc () [5] Fig. 3. Chrts nd results of the sttic tensile test: cquired from the pipe (), cquired from the connector () [5] Bdni wytrzymłości n zginnie, zrówno próek wykonnych z rury jk i z króćc, nie ujwniły wd mteriłu jkim jest stl 13CrMO4-5 orz połączeni spwlniczego wykonnego w tym mterile, kąt gięci wyniósł dl oydwu mteriłów 180 (rys 4). Wyniki pomiru twrdości metodą Vickers w punktch pomirowych zznczonych n rysunku 5 dl próki stli pornej z rury przedstwiono w tlicy 2. Wrtość średni pomiru twrdości wyniosł 147 przy wrincji 58,8, odchyleniu stndrdowym 7,67 i rozstępie 23. Wyniki dl próki stli z króćc w punktch pomirowych pokznych n rysunku 5 przedstwiono w Tlicy 3. Wrtość średni rytmetyczn pomiru wrtości twrdości wyniosł dl I linii pomirowej 228,4, wrincj 4092,24, odchylenie stndrdowe 63,97 i rozstęp 214. Dl II linii pomirowej średni rytmetyczn pomirów twrdości wyniosł 198,4, wrincj 1183,44, odchylenie stndrdowe 34,4 orz rozstęp AUTOBUSY 6/2014

3 Mterił podstwowy Nie poddny wpływowi ciepł SWC Twrdość HV [10] Mterił spoiny Mterił podstwowy SWC Nie poddny wpływowi ciepł Powierzchni odcisku Twrdość HV [10] Powierzchni odcisku Twrdość HV [10] eksplotcj i testy Tlic 3. Wyniki pomirów twrdości z próki z króćc [5] Tle 3. The results of the hrdness mesurement of the smple from the connector [5] Prók stli 13CrMo4-5 porn z króćc Lini pomirow I II 1 0, , Rys. 4. Próki stli po wykonniu próy zginni: porne z rury (), porne z króćc () [5] Fig. 4 Steel specimen fter the ending test: cquired from the pipe (s), cquired from the connector () [5] 2 0, , , , , , , , , , , , Rys. 5. Próki wrz z punktmi pomirowymi porne: z rury (), z króćc () [5] Fig. 5. The smples, together with the mesuring points, tken from: the pipe (), the connector () [5] Tlic 2. Wyniki pomirów twrdości z próki pornej z rury [15] Tle 2. The results of the hrdness mesurement of the smple cquired from pipe [15] Prók stli 13CrMo4-5 porn z rury Powierzchni odcisku Twrdość Vickers HV [10] Twrdość HV [10] Mterił podstwowy ,341 0,358 0,351 0,369 0, N podstwie dń mikroskopowych frgmentu próki pornego z króćc określono strukturę mteriłu podstwowego jko ferrytyczno-inityczną orz spoiny jko inityczno-perlityczną. Dl rury określono strukturę jko ferrytyczno-inityczną w ukłdzie psmowym, stopień psmowości, skl 2 A, wzorzec 5 według normy PN-63 /H Wielkość zirn przy powiększeniu 100 G=9 według normy PN-84/H-04507/01. Wyniki dni skłdu chemicznego stli 13CrMo4-5 z rury nr ,2 mm przedstwiono w tlicy 4. Dl uwirygodnieni wyników kżdy z pomirów powtórzono trzykrotnie dl uniknięci łędów pomirowych. 8 0, , , , , , , , , , , , , , , , Podczs dni rdiogrficznego n cłym odcinku spoiny nie wykryto wd spwlniczych (niezgodności spwlniczych). Bdni rdiogrficzne jk i ocenę złącz spwnego wykonno zgodnie z normą PN-EN ISO Dyskusj Próki porne z rury ,2 mm wykonnej z mteriłu 13CrMo4-5 podczs dni wytrzymłości n rozciągnie uzyskły niższe wrtości mksymlnego grnicznego nprężeni Rm ( MP) od wrtości podnych w teście, któr wynosi 466MP, jednk wrtość t mieści się w przedzile od 440 do 590 MP określonym dl tego mteriłu przez normę PN-EN :2009. AUTOBUSY 6/

4 Tlic 4. Wyniki dni skłdu chemicznego Tle 4. The results of the study of the chemicl composition c d Rys. 6. Zdjęci mikroskopowe próki stli 13CrMo4-5 pornych: z króćc w powiększeniu 25 rzy (), 100 rzy () orz z rury w powiększeniu: 200 rzy (c), 500 rzy (d) [5] Fig. 6. Microscopic photogrphs of the 13CrMo4-5 steel smples cquired from: the connector enlrged 25 times () nd 100 times (), nd the pipe enlrged 200 times (c) nd 500 times (d) [5] Rys. 7. Zdjęci rdiogrficzne króćc ,2 mm [5] Fig. 7. Rdiogrphic photos of the connector mm [5] 238 AUTOBUSY 6/2014 Dl próek pornych z króćc ,2 mm wrtości nprężeni grnicznego wytrzymłości n rozciągnie podne w teście jk i w Polskiej Normie są spełnione. Co więcej, podczs rozciągni mteriłu ze spoiną zerwnie stwierdzono w mterile podstwowym, co świdczy o dorze dornej

5 technologii spwni orz o rdzo dorej spwlności dnego mteriłu. Podczs próy zginni nie ujwniono wd mteriłowych zrówno w króćcu jk i rurze. Twrdość próki pornej z rury wyniosł 147±7,67 HV10. Bdni twrdości n próce pornej z króćc wykzły, że wprowdzenie ciepł w mterił zmieni jego strukturę, co m znczący wpływ n twrdość mteriłu. Świdczą o tym wyniki średniej rytmetycznej mteriłu spwnego gdzie dl pierwszej linii pomirowej wyniosły one 228,4 HV10, ntomist dl drugiej linii 198,4 HV10. Struktur mteriłu nowego wyrou jest prwidłow. Bdni mikroskopowe nie wykzły żdnych zmin w strukturze mteriłowej. Bdni mikrostruktury wykonne n prókch pornych z króćc ukzują, iż struktur mteriłu różni się od struktury spoiny. Mterił m strukturę ferrytyczno-inityczną, ntomist spoin: initycznoperlityczną. Skłd chemiczny zdny nie odieg od skłdu zwrtego w teście dołączonym do mteriłu. Bdni rdiogrficzne nie wykzły żdnych wskzń niedopuszczlnych dl króćc. Spoin ył wycenin według normy PN-EN Jkość oceninej spoiny spełni wymgni dl spoiny klsy B według normy PN-EN Wnioski 1. Przedne próki stli 13CrMo5-4 porne z rury ,2 mm orz z króćc ,2 mm spełniją normy mteriłu o podwyższonej odporności n temperturę. 2. Włściwości mechniczne i chemiczne próek stli są zgodne z porównywnym testem. 3. Łączenie stli przy użyciu metody spwni nie wpływ zncząco n jej włściwości mechniczne jednk zmieni jej włściwości strukturlne orz twrdość w strefie wpływu ciepł (SWC) zhrtowując mterił. 5. Podziękowni Autorzy dziękują Prof. Gregorowi Moriemu z Montnuniversität Leoen (Austri) z zdnie skłdu chemicznego stli 13CrMo4-5 orz inż. Łukszowi Klsie z wykonnie dń wytrzymłościowych orz metlogrficznych. Biliogrfi 1. Gnutek Z., Kordylewski W., Mszynoznwstwo energetyczne. Oficyn Wyd. PWr, Wrocłw, Gundlch W.R., Podstwy mszyn przepływowych i ich systemów energetycznych. Wydwnictw Nukowo- Techniczne, Kls Ł., Bdnie włsności mechnicznych i elektrochemicznych stli 13CrMo4-5. Prc inżyniersk. Koszlin 2013, promotor Krzysztof Rokosz, recenzent: Tdeusz Hryniewicz, konsultnt: Jn Vlíček. 6. PN-EN ISO :2010, Metle Pró rozciągni, część 1: Metod dni w temperturze pokojowej. 7. PN-EN 910: 1999, Bdni niszczące spwnych złączy metli. Próy zginni. 8. PN-EN ISO :2007. Metle Pomir twrdości sposoem Vickers. 9. Błżewski S., Mikoszewski J., Pomiry twrdości metli. WNT, Wrszw, Głowck M., Zieliński A., Podstwy mteriłoznwstw. Politechnik Gdńsk, Ciszewski A., Klinowski L., Łozowski J., Rdomski T., Metlogrfi stlowych złączy spwnych. Wydwnictwo Nukowo-Techniczne, Wrszw Jezierski G., Rdiogrfi przemysłow, Wydwnictwo Nukowo-Techniczne, Fundcj Książk Nukowo- Techniczn, Wrszw, Besztk K., Jezierski G., Metody rdiologiczne. Wydwnictwo Agencj Reklmowo-Wydwnicz, Opole, Szczepnik W., Metody instrumentlne w nlizie chemicznej. Wydwnictw Nukowe PWN, 2002, Mechnicl properties of steel 13CrMo4-5 Astrct The rticle presents the reserch results of steel 13CrMo4-5 due to the mechnicl nd chemicl properties. The tested mteril is mostly used to produce high pressure stem pipelines in het nd power plnts. The studies were performed on 13CrMo4 steel pipe with dimeter of 159 mm nd thickness of 14.2 mm. There were performed following nlyses: the tensile test, flexurl ending, test of hrdness, microstructure exmintion nd chemicl composition. The verge of the stress limit in tensile test is 452 MP. The smples were undergone flexurl ending ngle of 180. The hrdness mesured for the ove-mentioned steel ws 147 ± 7.67 HV10. The studies hve shown the microstructure of the mteril s ferritic-initic structure. Article illustrtes the reserch tht cn e used for qulity control of newly mde products s well s in voidnce of products which do not fulfill the stndrds Key words: stinless steel 13CrMo4-5, strength tests, tensile test, ending test, metllogrphy, corrosion resistnce, rdiogrphy. Autorzy: Prof. nzw. dr h. inż. Krzysztof Rokosz Politechnik Koszlińsk Prof. dr h. inż. Tdeusz Hryniewicz - Politechnik Koszlińsk Mgr inż. Słwomir Rzdkiewicz - Politechnik Koszlińsk AUTOBUSY 6/